JPH07281218A - Optical waveguide that is epitaxially grown on semiconductorfor upgrade conversion - Google Patents
Optical waveguide that is epitaxially grown on semiconductorfor upgrade conversionInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は多層アップコンバージョ
ン構造に関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to a multilayer upconversion structure.
【0002】[0002]
【従来の技術】アップコンバージョンレーザーはポンピ
ングに用いられる周波数より高い周波数で発振する光学
的にポンプされたレーザーに分類される。該レーザーは
IIIーV半導体レーザーで利用しうる赤外ポンプ波長
を用いて紫から赤までのスペクトル領域で出力を発生す
る。これらの小型の光源は光データ記憶、高速レーザー
プリンター、大画面表示器、及び海底通信で重要であ
る。アップコンバージョン用に一般に用いられている材
料はErでドープされたBaY2 F8 及びTmでドープ
されたYLiF4 を含む。Paz−Pujalt,Hu
ng,Chwalek,Hrycin,Chatter
jee,Richardsの1994年1月25日出願
のアメリカ特許出願第08/186400号「A De
vice for Converting Invis
ible and VisibleRadiation
to Visible Light And/Or
UVRadiation」ではアップコンバージョン励
起を示す基板上のTmでドープされたBaYYbF8 の
結晶層が開示されている。それはGaAs及び他のII
IーV半導体上のアップコンバージョン材料のエピタキ
シャル膜を集積することがまだ望ましい。Hung,A
gostinelli,Mirの1992年12月7日
出願のアメリカ特許出願第07/992213号「A
Multilayer Structure Havi
ng a (111)−Oriented Buffe
r Layer」ではGaAs基板及び基板上でエピタ
キシャル成長された非線形光導波路が開示されている。Upconversion lasers are classified as optically pumped lasers that oscillate at frequencies higher than those used for pumping. The laser produces output in the violet to red spectral region using the infrared pump wavelengths available in III-V semiconductor lasers. These small light sources are important in optical data storage, high speed laser printers, large screen displays, and undersea communications. Commonly used materials for upconversion include BaY 2 F 8 doped with Er and YLiF 4 doped with Tm. Paz-Pujalt, Hu
ng, Chwalek, Hrycin, Chatter
Jee, Richards, US Patent Application No. 08/186400, filed January 25, 1994, "A De
vice for Converting Invis
Ible and VisibleRadiation
to Visible Light And / Or
Crystal layer is disclosed in BaYYbF 8 doped with Tm on the substrate indicating the UVRadiation "In upconversion excitation. It is GaAs and other II
It is still desirable to integrate epitaxial films of up-conversion material on IV semiconductors. Hung, A
US patent application Ser. No. 07 / 992,213 filed Dec. 7, 1992 by Gostinelli, Mir “A
Multilayer Structure Havi
ng a (111) -Oriented Buffer
"r Layer" discloses a GaAs substrate and a nonlinear optical waveguide epitaxially grown on the substrate.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は半導体
上にエピタキシャル成長されたアップコンバージョン導
波路を提供することにある。An object of the present invention is to provide an upconversion waveguide epitaxially grown on a semiconductor.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】この目的は単結晶半導体
基板と;基板にオーバーレイするエピタキシャルバッフ
ァー層と;赤又は赤外照射で励起するアップコンバージ
ョンを示すエピタキシャルフッ化物外側膜層とからなる
多層構造により達成される。A multi-layer structure comprising a single crystal semiconductor substrate; an epitaxial buffer layer overlaying the substrate; and an epitaxial fluoride outer film layer exhibiting upconversion excited by red or infrared radiation. Achieved by
【0005】本発明による多層構造の利点は半導体基板
へのアップコンバージョン膜の集積によりダイオードレ
ーザー、アップコンバージョン光源、光検出器、及び電
子部品を同じチップ上で成長させることが可能であり、
良いエピタキシャル品質を有する導波路の形成がより長
い光学長にわたる高パワー密度を可能にする。The advantage of the multi-layered structure according to the present invention is that it is possible to grow a diode laser, an up-conversion light source, a photo-detector, and electronic components on the same chip by integrating an up-conversion film on a semiconductor substrate.
The formation of waveguides with good epitaxial quality enables high power densities over longer optical lengths.
【0006】[0006]
【実施例】図1を参照するに多層構造10は単結晶半導
体基板11と、エピタキシャルバッファーフッ化物層1
3と、基板11上でエピタキシャル成長し、その下のバ
ッファー層13と共に導波路を形成するアップコンバー
ジョンフッ化物膜15とからなる。本発明による他の実
施例は図2に示される。多層構造20は(100)方向
に向いた単結晶Si又はGaAs21と、CaF2 23
のエピタキシャルバッファー層と、Si又はGaAs上
にエピタキシャル成長し、CaF2 と共に導波路を形成
するドープされたアップコンバージョン膜BaYYbF
8 25とを含む。本発明の更に他の実施例は図3に示さ
れる。多層構造30は(100)方向に向いた単結晶S
i又はGaAs31と、LiF33のエピタキシャルバ
ッファー層と、Si又はGaAs上にエピタキシャル成
長し、LiFと共に導波路を形成するドープされたアッ
プコンバージョン膜BaYYbF8 35とを含む。EXAMPLE Referring to FIG. 1, a multilayer structure 10 includes a single crystal semiconductor substrate 11 and an epitaxial buffer fluoride layer 1.
3 and an up-conversion fluoride film 15 which is epitaxially grown on the substrate 11 and forms a waveguide with the buffer layer 13 thereunder. Another embodiment according to the present invention is shown in FIG. The multilayer structure 20 is composed of single crystal Si or GaAs 21 oriented in the (100) direction and CaF 2 23.
And a doped up-conversion film BaYYbF that grows epitaxially on Si or GaAs and forms a waveguide with CaF 2.
8 25 and. Yet another embodiment of the present invention is shown in FIG. The multilayer structure 30 is a single crystal S oriented in the (100) direction.
i or GaAs 31, an epitaxial buffer layer of LiF 33, and a doped up-conversion film BaYYbF 8 35 that epitaxially grows on Si or GaAs and forms a waveguide with LiF.
【0007】種々の型及び大きさの基板の使用が選択さ
れた基板がIII族ーV族複合体又はIV族から選択さ
れた半導体であるという制限で可能となる。望ましくは
基板はGaAs、GaP、InAs、InSb及びAl
x Ga1-X Asのようなそれらの三元合金複合物から選
択された半導体である。好ましくはIV族の基板はS
i、Ge、及びSix Ge1-X から選択され、ここでx
は0から1である。The use of substrates of various types and sizes is possible with the limitation that the substrate selected is a semiconductor selected from III-V composites or IV. Preferably the substrate is GaAs, GaP, InAs, InSb and Al
a semiconductor selected from those ternary alloy composites such as x Ga 1-x As. Preferably the Group IV substrate is S
i, Ge, and Si x Ge 1-X , where x
Is 0 to 1.
【0008】基板はドープされなくても、軽度又は重度
にドープされてもよい。ある応用では重度にドープされ
た半導体は電極がバッファー層の下に形成されうる故に
より好ましい。ある応用では半導体の部分が多層構造用
の基板11、21、又は31として用いられ、一方で半
導体ウエーハの残りの部分はレーザーダイオード及び種
々の電子装置を形成するよう処理されうる。The substrate may be undoped, lightly or heavily doped. In some applications heavily doped semiconductors are more preferred as electrodes may be formed below the buffer layer. In some applications, semiconductor parts are used as substrates 11, 21, or 31 for multilayer structures, while the remaining parts of the semiconductor wafer can be processed to form laser diodes and various electronic devices.
【0009】図1のバッファー層13は以下のように設
けられねばならない: 1) 外側のフッ化物膜と下の
半導体基板との間の反応を妨げ、 2) 上昇された温
度で外側のフッ化物膜と下の半導体基板とに関して安定
であり、 3) 表面法線に関する基板のそれと同じ回
転対称及び部分格子(sublattice)定数を有
する単結晶膜であり、 4) 外側フッ化物膜のエピタ
キシャル成長に対するシードとして作用し、 5) 広
範囲の波長にわたり透明で、 6) アップコンバージ
ョン膜より低い屈折率を有する光学膜である。The buffer layer 13 of FIG. 1 must be provided as follows: 1) prevents the reaction between the outer fluoride film and the underlying semiconductor substrate, 2) the outer fluoride at elevated temperature. 3) a monocrystalline film that is stable with respect to the film and the underlying semiconductor substrate, 3) has the same rotational symmetry and sublattice constant as that of the substrate with respect to the surface normal, and 4) as a seed for epitaxial growth of the outer fluoride film. 5) is an optical film that is transparent over a wide range of wavelengths, and 6) has a lower refractive index than an up-conversion film.
【0010】この最小限の特性はバッファーの種々の可
能性の要求された特性である。上記最小限の特性を維持
する従来技術のバリヤは本発明で用いられうる。CaF
2 、SrF2 、BaF2 、Cax Sr1-X F2 、MgF
2 ,LiF(xは0から1)のような種々のフッ化物が
選択され得る。バリヤ層13は半導体基板上でエピタキ
シャル成長する。バッファー層13はレーザーアブレー
ション、スパッタリング、電子線蒸着、熱蒸着、又は化
学蒸着のような多くの従来技術の方法によりエピタキシ
ャル成長されうる。バッファー層13が成長された時に
該バッファーは基板とオーバーレイ膜との間の反応を防
ぐよう充分な厚さに達していることが必要である。膜の
厚さの他の考察はアップコンバージョン膜内の波の伝搬
のモードの消滅する尾部の強度が導かれた波動の損失を
防ぐために基板ーバッファー層の境界で無視しうるよう
でなければならない。好ましい厚さの範囲は200乃至
3000nm、より好ましくは500乃至2000nm
である。This minimal property is a required property of the different possibilities of the buffer. Prior art barriers that maintain the above minimum properties may be used in the present invention. CaF
2 , SrF 2 , BaF 2 , Ca x Sr 1-X F 2 , MgF
Various fluorides can be selected, such as 2 , LiF (x is 0 to 1). The barrier layer 13 is epitaxially grown on the semiconductor substrate. The buffer layer 13 can be epitaxially grown by many prior art methods such as laser ablation, sputtering, electron beam evaporation, thermal evaporation, or chemical vapor deposition. When the buffer layer 13 is grown, it needs to be thick enough to prevent reaction between the substrate and the overlay film. Other considerations of film thickness must be such that the vanishing tail intensities of modes of wave propagation in the upconversion film are negligible at the substrate-buffer layer boundary to prevent guided wave loss. The preferred thickness range is 200 to 3000 nm, more preferably 500 to 2000 nm.
Is.
【0011】オーバーレイアップコンバージョン膜はr
fースパッタリング、電子線蒸着、熱蒸着、レーザーア
ブレーション、又は金属有機物化学蒸着のようなどのよ
うな従来技術の方法によっても成長されうる。図1に示
されるオーバーレイフッ化物膜は好ましくはそれの下の
半導体基板の結晶構造と適合する結晶構造を有し、実質
的にアップコンバージョン効果を示す。この2つの結合
された判断基準を満たす膜はたとえばBaY2 F8 、B
aYYbF8 、YLiF4 である。好ましい厚さの範囲
は200乃至3000nm、より好ましくは500乃至
2000nmである。該膜はHo,Er,Nd,Pr,
Tmでドープされうる。実験の詳細 (NH4 )2 Sx で処理された(111)GaAsウエ
ーハはフッ化物膜のエピタキシャル成長用の基板として
用いられた。有機溶剤による従来技術の洗浄の後にウエ
ーハはH2 SO4 :H2 O2 :H2 O=1:8:500
溶液で30秒間エッチングされ、続いて脱イオン化水に
よりすすがれた。蒸着器内に装着される前にサンプルは
(NH4 )2 Sx 飽和溶液中に3ー5分間置かれた。こ
の浸漬に続いて硫酸アンモニウム溶液は脱イオン化水で
希釈され、サンプルは窒素気流下で乾燥される前に希釈
された溶液中に3ー5分間浸された。この方法によれば
そのままの状態(in situ)で熱エッチング又は
スパッター洗浄なしにGaAs上にエピタキシャル膜を
成長させうる。The overlay up-conversion film is r
It can be grown by any prior art method such as f-sputtering, electron beam evaporation, thermal evaporation, laser ablation, or metalorganic chemical vapor deposition. The overlay fluoride film shown in FIG. 1 preferably has a crystal structure compatible with the crystal structure of the underlying semiconductor substrate and exhibits a substantially upconversion effect. Membranes satisfying these two combined criteria are, for example, BaY 2 F 8 , B
aYYbF 8 and YLiF 4 . A preferred thickness range is 200 to 3000 nm, more preferably 500 to 2000 nm. The film is made of Ho, Er, Nd, Pr,
It can be doped with Tm. Experimental Details (111) GaAs wafers treated with (NH 4 ) 2 S x were used as substrates for epitaxial growth of fluoride films. After prior art cleaning with organic solvent, the wafer is H 2 SO 4 : H 2 O 2 : H 2 O = 1: 8: 500.
The solution was etched for 30 seconds, followed by a rinse with deionized water. The sample was placed in a saturated solution of (NH 4 ) 2 S x for 3-5 minutes before mounting in the vaporizer. Following this soaking, the ammonium sulfate solution was diluted with deionized water and the sample was soaked in the diluted solution for 3-5 minutes before being dried under a stream of nitrogen. According to this method, an epitaxial film can be grown on GaAs in-situ without thermal etching or sputter cleaning.
【0012】CaF2 又はLiFのいずれかが電子線蒸
着によりGaAs上に直接堆積された。堆積処理は1x
10-7トル(Torr)で行われ、基板はタンタル線か
らなる輻射ヒーターにより加熱された。成長温度は40
0°C乃至550°Cであり、公開されている放射率値
を用いて赤外高温計によりモニターされた。堆積率は
0.1乃至0.4nm/sであり、CaF2 又はLiF
膜の厚さは約300乃至500nmであった。Either CaF 2 or LiF was deposited directly on GaAs by electron beam evaporation. Deposition process is 1x
The substrate was heated by a radiant heater made of tantalum wire at 10 −7 Torr. Growth temperature is 40
0 ° C to 550 ° C, monitored by infrared pyrometer using published emissivity values. The deposition rate is 0.1 to 0.4 nm / s, CaF 2 or LiF
The film thickness was about 300-500 nm.
【0013】BaYYbF8 に対する原料は電子材料グ
レードのBaF2 ,YF3 ,YbF 3 ,TmF3 をモル
比で1:1:0.99:0.01の粉末から調製され
た。混合された粉末は500プシ(psi)の圧力下で
ペレット化された。TmをドープされたBaYYbF8
膜はCaF2 又はLiFで覆われた(100)GaAs
上にeービーム蒸着により堆積される。堆積は400°
C乃至550°Cの温度でおこなわれ、BaYYbF8
膜の厚さは約300ー500nmであった。Tmに加え
てHo,Er,Nd,Pr,Tmという他の元素もドー
パントとして用いられうる。BaYYbF8The raw material for
BaF of raid2, YF3, YbF 3, TmF3The mole
Prepared from powders in a ratio of 1: 1: 0.99: 0.01
It was The mixed powder is under a pressure of 500 psi
Pelletized. BaYYbF doped with Tm8
Membrane is CaF2Or (100) GaAs covered with LiF
It is deposited by e-beam evaporation on top. Deposition is 400 °
BaYYbF performed at a temperature of C to 550 ° C8
The film thickness was about 300-500 nm. In addition to Tm
Other elements such as Ho, Er, Nd, Pr, Tm
It can be used as a punt.
【0014】サンプルはX線回折及びラザフォード後方
散乱により特性づけられた。これらの技術は良く知られ
ており、B.D.CullityによるElement
sof x−ray Diffraction(Ass
ion−Wesley,Reading,マサチューセ
ッツ)及びChu,J.W.Mayer,M.A.Ni
colet等によるBackscattering S
pectrometry(Academic出版、ニュ
ーヨーク、ニューヨーク)で詳しく説明されている。以
下の例により本発明を更に詳しく説明する。例 1 CaF2 の300nm及びTmをドープされたBaYY
bF8 の300nmは(100)方向にむけられたGa
As単結晶上にeービーム蒸着により500°Cで順次
堆積された。サンプル表面は光沢があり、平滑であっ
た。多層構造から得られた図4の標準の2シータ回折パ
ターンはGaAs(200)&(400)、CaF
2 (200)&(400)、BaYYbF8 (220)
&(440)の回折ピークのみを示した。最大値の半分
でのロッキング曲線の全幅(FWHM)はCaF2 (2
00)に対して約0.5°、BaYYbF8 (110)
に対して約0.9°であった。サンプル表面に対する入
射が1.5°でのX線分析はGaAs(311)以外の
ピークは示されなかった。故にCaF2 及びBaYYb
F 8 の両方は高度に配向されているのみならず、CaF
2 及びBaYYbF8 がGaAs上でエピタキシャル成
長されたことを示すGaAsと良好な面内整列をも有す
る。BaYYbF8 膜の良い結晶品質は約0.24の最
小収量(yeild)を示すイオンチャンネル分析によ
り更に確認された(図5)。CaF2 及びBaYYbF
8 のそれぞれの屈折率は1.43及び1.54であるこ
とが知られているので、導波路が形成される。647.
1nmのレーザービームによる誘導で膜はアップコンバ
ージョン励起をなし、結果としてUV、青、緑の放射を
出射した。960nmのレーザービームによりポンプさ
れたときにはUV、青、緑、赤の光が見られた。例 2 300乃至500nmの厚さのLiFの薄膜は(10
0)方向にむけられたGaAs単結晶上に400°Cで
堆積され、300乃至500nmの厚さのBaYYbF
8 の層はLiFでコートされた基板上にeービーム蒸着
により500°Cで堆積された。サンプル表面は平滑で
特徴はなかった。X線分析から得られた図6のX線回折
パターンではGaAs(200)&(400)、LiF
(200)、BaYYbF8 (110)&(220)の
回折ピークのみを示した。LiF及びBaYYbF8 の
それぞれの屈折率は1.36及び1.55であることが
知られているので、導波路が形成される。647.1n
mのレーザービームによる誘導で膜はアップコンバージ
ョン励起をなし、結果としてUV、青、緑の放射を出射
し、960nmのレーザービームによりポンプされたと
きにはUV、青、緑、赤の光が見られた。Samples are X-ray diffraction and Rutherford rear
Characterized by scattering. These techniques are well known
B. D. Element by Cullity
sof x-ray Diffraction (Ass
ion-Wesley, Reading, Massachusetts
T.) and Chu, J .; W. Mayer, M .; A. Ni
Backscattering S by colet etc.
Spectrometry (Academic Publishing, New
-York, New York). Since
The invention is illustrated in more detail by the examples below.Example 1 CaF2300nm and Tm-doped BaYY
bF8Of 300 nm is Ga oriented in the (100) direction
Sequentially at 500 ° C by e-beam evaporation on As single crystal
Was deposited. The sample surface is glossy and smooth
It was The standard 2-theta diffraction pattern of FIG. 4 obtained from the multilayer structure.
Turns are GaAs (200) & (400), CaF
2(200) & (400), BaYYbF8(220)
Only the diffraction peak of & (440) was shown. Half the maximum value
Full width of rocking curve (FWHM) at CaF2(2
00) about 0.5 °, BaYYbF8(110)
Was about 0.9 °. Input to sample surface
X-ray analysis at 1.5 ° is other than GaAs (311)
No peak was shown. Therefore CaF2And BaYYb
F 8Both are not only highly oriented, but CaF
2And BaYYbF8Epitaxially grown on GaAs
It also has good in-plane alignment with GaAs, which indicates it has been lengthened
It BaYYbF8The good crystal quality of the film is about 0.24.
By ion channel analysis showing a small yield
It was further confirmed (Fig. 5). CaF2And BaYYbF
8The respective refractive indices of 1.43 and 1.54 are
Is known, a waveguide is formed. 647.
The film is up-converted by the induction with a 1 nm laser beam.
Fusion, resulting in UV, blue, and green radiation
Emitted. Pumped by 960 nm laser beam
UV, blue, green and red light was seen when it was lit.Example 2 A thin film of LiF with a thickness of 300 to 500 nm is (10
At 400 ° C on a GaAs single crystal oriented in the 0) direction
BaYYbF deposited and 300-500 nm thick
8Layer is e-beam evaporated on LiF coated substrate
Deposited at 500 ° C. The sample surface is smooth
There was no feature. X-ray diffraction of FIG. 6 obtained from X-ray analysis
GaAs (200) & (400), LiF in the pattern
(200), BaYYbF8(110) & (220)
Only the diffraction peak is shown. LiF and BaYYbF8of
The respective refractive indices are 1.36 and 1.55
As known, a waveguide is formed. 647.1n
The film is up-converged by the laser beam of m.
Excitation, resulting in the emission of UV, blue and green radiation
And was pumped by a 960 nm laser beam
We could see UV, blue, green and red light.
【図1】本発明の多層構造の1実施例を示す概略図であ
る。FIG. 1 is a schematic view showing one embodiment of the multilayer structure of the present invention.
【図2】本発明の多層構造の代替実施例を示す概略図で
ある。FIG. 2 is a schematic diagram showing an alternative embodiment of the multilayer structure of the present invention.
【図3】本発明の多層構造の他の代替実施例を示す概略
図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing another alternative embodiment of the multilayer structure of the present invention.
【図4】図2に示す構造のX線回折パターンを示す図で
ある。4 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the structure shown in FIG.
【図5】図2に示す構造の解析ビームがランダム及びG
aAsに関して<100>方向入射でのラザフォード後
方散乱を示す図である。5 is an analysis beam of the structure shown in FIG.
FIG. 6 shows Rutherford backscatter at <100> direction incidence for aAs.
【図6】図3に示す構造のX線回折パターンを示す図で
ある。6 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the structure shown in FIG.
10、20、30 多層構造 11、21、31 単結晶半導体基板 13、23、33 バッファー層 15、25、35 アップコンバージョンフッ化物膜 10, 20, 30 Multilayer structure 11, 21, 31 Single crystal semiconductor substrate 13, 23, 33 Buffer layer 15, 25, 35 Upconversion fluoride film
Claims (1)
するエピタキシャルバッファー層と;赤又は赤外照射で
励起するアップコンバージョンを示すエピタキシャルフ
ッ化物外側膜層とからなる多層構造。1. A multilayer structure comprising a single crystal semiconductor substrate; an epitaxial buffer layer overlaying the substrate; and an epitaxial fluoride outer film layer exhibiting upconversion excited by red or infrared irradiation.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/195,239 US5412679A (en) | 1994-02-14 | 1994-02-14 | Optical waveguide epitaxially grown on semiconductors for upconversion |
US195239 | 2002-07-15 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07281218A true JPH07281218A (en) | 1995-10-27 |
Family
ID=22720605
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7019238A Pending JPH07281218A (en) | 1994-02-14 | 1995-02-07 | Optical waveguide that is epitaxially grown on semiconductorfor upgrade conversion |
Country Status (3)
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